一种矿山综合能源系统低碳经济运行优化方法

本发明涉及能源调度优化，尤其是涉及一种矿山综合能源系统低碳经济运行优化方法。

背景技术：

1、能源开采和利用带来全球气候变暖、温室效应加剧等一系列问题，在矿山综合能源系统(mine integrated energy system,mies)中这一问题尤为显著。在此背景下，构建低碳、经济、环保的能源系统成为研究热点。矿山综合能源系统作为区域综合能源系统(regional integrated energy system，ries)的典型应用，具有能源供需多样、碳排放量大的特点，是实现低碳环保的重要载体。随着中国双碳目标的提出，对矿山综合能源系统的低碳研究成为亟待解决的问题。

2、煤矿在开采过程中会产生乏风、瓦斯和矿井涌水等衍生能源，这些能源蕴含大量的低品质能量，直接排空不仅会造成能源的浪费还会导致严重的生态环境问题。据统计，乏风和瓦斯的温室效应是co2的21倍，而矿井水源热泵可在消耗1kwh电能产出远高于输入将近3-4kwh的热能，节能效果显著。构建矿山mies在有效挖掘多种衍生能源利用潜力的同时，可减少整个系统的碳排放量，满足煤矿绿色发展的迫切需求。另一方面，与可再生能源类似，矿山衍生能源受生产流程和地质条件等诸多因素的影响，具有较大的预测不确定性。衍生能源设备的出力与多种衍生能源关键特征的变化密切相关，因此，研究源端供能多重不确定性对矿山mies的安全稳定运行具有重要意义。

3、与煤炭开采有关的矿山是一个典型又独特的综合能源系统。相比于传统的ries，矿山mies能源供需多样具有较大的预测不确定性，且多种能源在生产和使用过程中会产生大量温室气体排放。为了提高综合能源系统的环境效益，不少文献开始研究碳排放对综合能源系统运行的影响。

4、在不确定性研究方面，风能、太阳能等可再生能源的引入及乏风、涌水和低浓度瓦斯等矿山衍生能源的利用，使得矿山综合能源系统愈加复杂且存在较强的不确定性。在处理系统不确定性方面常见的方法有随机规划、模糊规划和鲁棒优化等基础方法。学术界在不确定性优化问题上的研究成果为综合能源系统运行优化问题提供了理论基础，目前已有很多学者针对综合能源系统中的不确定性进行了初步研究。面向生态农业ies的多能互补与低碳运行优化调度策略，考虑光伏、负荷和沼气的不确定性，建立了生态农业ies的两阶段鲁棒优化模型；针对园区综合能源系统中源荷不确定性和设备变工况特性，利用非线性区间数表征源荷的不确定性，建立了考虑能量转换设备变工况特性的园区综合能源系统协同优化一体化模型；为处理源荷不确定因素提出了一种熵权自适应信息间隙决策方法，充分考虑了综合能源系统源荷中存在的不确定性，消除了传统信息间隙决策方法中主观因素带来的影响。

5、可以看出，上述方法为传统综合能源系统中不确定性研究提供了新思路，但是对于具有典型行业特征的矿山综合能源系统中不确定因素，现有研究依然较少，特别是对矿山衍生能源出力不确定性的分析。在综合能源系统的低碳优化方面，已有工作也为解决一般场景下低碳调度问题提供了相应的方法，但是，如何准确刻画衍生能源相关环节或设备的碳排放水平，现在依然缺乏有效方法。对已有的低碳调度模型进行扩充，建立矿山综合能源系统碳排放目标约束，充分考虑矿山综合能源系统这一特殊的场景，使扩充后的低碳模型能够更好的应用于矿山mies的低碳调度问题，都需要设计新的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种矿山综合能源系统低碳经济运行优化方法，针对现有矿山综合能源系统模型的不足，提供一种考虑碳排放目标约束的能流-碳流运行优化模型，在矿山综合能源系统调度优化时，对系统各环节的碳排放进行精确核算，并对系统和各设备的碳排放进行约束，实现矿山综合能源系统的低碳经济调度，对矿山综合能源系统源端可再生能源和衍生能源的不确定性进行建模分析，给出计及供能不确定性的鲁棒模型。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种矿山综合能源系统低碳经济运行优化方法，所述方法包括如下步骤：

3、(1)在矿山综合能源系统能流基本架构的基础上，引入系统运行低碳性需求，建立矿山综合能源系统能流-碳流系统架构；

4、(2)考虑系统的碳排放目标约束，以矿山综合能源系统运行成本和碳排放量最小为目标函数，构建矿山综合能源系统的低碳经济运行优化模型；

5、(3)采用风险规避策略下的鲁棒模型对系统的多重不确定进行建模分析，并设计矿山综合能源系统低碳经济运行优化模型的确定型转换方法。

6、优选的，步骤(1)中，所述矿山综合能源系统能流-碳流系统架构中，能流层以系统内的能量流动为基础流，通过不同能流间的耦合互补，满足矿山综合能源系统能量的供需平衡，通过能流平衡和经济制约实现系统各设备的最优运行；碳流层以能流层各模块设备运行过程中产生的排放物为物质流，碳流层在能流层满足系统负荷需求的前提下，通过对各模块设备的碳排放进行约束，实现系统的低碳运行。

7、优选的，步骤(2)中，所述碳排放目标函数为：

8、

9、

10、

11、式中，为矿山综合能源系统的碳排放成本，为碳交易基价，为矿山综合能源系统的碳排放量，ρk,t为设备k在t时刻的碳排放系数，pk,t为设备k在t时刻的输出功率，ω为所有设备的集合，为矿山综合能源系统的初始碳配额。

12、优选的，步骤(2)中，所述优化模型包括碳交易机制模型、能流层优化模型、碳流层优化模型；

13、所述碳交易机制模型利用碳交易机制可有效降低衍生能源利用过程中的碳排放，碳排放配额分配采用无偿分配方式，对于系统中的不同类型机组，其初始碳排放配额与机组类型和输出功率有关，相关数学模型为：

14、

15、式中，为矿山综合能源系统初始碳排放配额，hi,t为t时刻机组i的热功率，pi,t为t时刻机组i的电功率，ci,t为t时刻机组i的冷功率，εi,h、εi,e、εi,c分别表示机组i单位电、热、冷出力碳排放配额系数；

16、所述能流层优化模型以系统内能量流动为基础，对系统的经济性进行优化，在满足系统能流运行约束下，实现运行成本最小，能流层的运行成本目标函数为：

17、f1＝min(ctrade+cop+cpenalty)

18、

19、

20、

21、式中，ctrade、cop、cpenalty分别表示矿山综合能源系统外部购能成本、运行维护成本、弃能成本，cg,t、cgas,t分别表示t时段购电价格、购气价格，pg,t、pgas,t分别表示t时段的购电功率、购气功率，ck为设备k单位容量运维成本，pk,t为设备在t时刻的功率，为第i种能源的单位功率弃能惩罚系数，为第i种能源的预测功率或可供能量，pi,t表示第i种能源实际用能量，具体包括风光和水源热泵供能量；

22、所述碳流层优化模型包括源端碳排放模型、能量转换设备的碳排放模型、负荷侧的碳排放模型；

23、所述源端碳排放模型包括系统购能所产生的等效碳排放当量、可再生能源和衍生能源利用过程产生的碳排放以及未充分利用直接排空的等效碳排放当量，输入侧的碳排放量为：

24、es＝eg,t+eg,t+ere,t+efw,t

25、

26、式中，eg,t、eg,t、ere,t和efw,t分别为t时刻购电、购气、可再生能源、衍生能源利用过程中的等效碳排放当量，ρg,t、ρg,t、ρw,t、ρpv,t分别为t时刻外网购电、购气、风、光可再生能源出力对应的碳排放系数，ρfw,t为衍生能源出力对应的碳排放系数，ρvam为乏风密度，取值0.716kg/m3，μvam,t为乏风的碳排系数，取值21；

27、所述能量转换设备的碳排放模型利用碳排放系数计算各设备能量转换过程对应的碳排放量，单输入-单输出设备第t时刻对应的碳排放为：

28、ei,t＝pi,tρi,t

29、式中，pi,t为能源转换设备i在第t时刻对应的输出功率，ρi,t为单位功率对应的碳排放系数；

30、单输入-多输出设备第t时刻对应的碳排放可表示为：

31、

32、式中，和分别表示t时刻热电联供(combined heat and power,chp)机组发电和供热所对应的碳排放系数，pchp,t和hchp,t分别为t时刻热电联供chp机组的电、热输出功率；

33、所述负荷侧的碳排放模型中各输出能流对应的碳排放为：

34、

35、式中，rle,t、rlh,t和rlc,t分别为t时刻电、热、冷输出能流的碳排放量，le,t、lh,t和lc,t分别为负荷侧相应的集成电、热、冷能流。

36、优选的，步骤(3)中所述风险规避策略下的鲁棒模型为：

37、

38、式中，c0为调度决策者制定调度策略的参考成本，δ为鲁棒模型调度成本偏差系数，hi(x,pi)和gj(x,pi)为能流-碳流运行优化模型中相应的不等式约束和等式约束，ωineq和ωeq为不等式、等式约束集合，u为描述源端多重不确定性的不确定集模型，具体包括风光、衍生能源出力的不确定性。

39、优选的，步骤(3)中，所述矿山综合能源系统低碳经济运行优化模型为：

40、

41、f1＝min(ctrade+cop+cpenalty)

42、

43、式中，f为矿山综合能源系统低碳经济运行的总成本，f1为矿山综合能源系统运行成本，为矿山综合能源系统碳排放成本，ctrade、cop、cpenalty分别表示矿山综合能源系统外部购能成本、运行维护成本、弃能成本，为碳交易基价，为矿山综合能源系统的碳排放量，为矿山综合能源系统的初始碳配额。

44、优选的，步骤(3)中，所述矿山综合能源系统低碳经济运行优化模型利用yalmip工具箱调用gurobi商业求解器进行求解，具体求解流程包括如下步骤：

45、(1)基于风光和衍生能源出力的预测值，综合考虑能流-碳流运行优化模型求得确定性模型的目标最优值，并将其设置为基准值；

46、(2)构建风光和衍生能源出力的不确定集合，用风光和衍生能源出力的实际值代替确定性模型中的预测值，然后设定目标偏差系数，确定决策者可接受的期望目标值，并编写风险规避策略下的鲁棒模型；

47、(3)调用gurobi商业求解器求解鲁棒模型，得到不确定度、调度成本和各机组出力计划。

48、本发明所述的一种矿山综合能源系统低碳经济运行优化方法的优点和积极效果是：

49、(1)引入矿山综合能源系统低碳性需求，构建了矿山综合能源系统能流-碳流系统架构；解决了源端衍生能源利用、外网购电购气、相关能源转换设备隐含碳排放等碳约束问题，对矿山综合能源系统各环节及各设备的碳排放进行了精确核算。

50、(2)在矿山综合能源系统能流运行优化模型的基础上，对已有的系统经济调度模型进行扩充，考虑矿山综合能源系统运行中的碳排放目标约束，以系统总运行成本和碳排放量最小为目标函数，对矿山综合能源系统的低碳调度进行了研究。

51、(3)针对矿山风光和衍生能源供能存在的不确定性，给出一种基于信息间隙决策理论风险规避策略的鲁棒模型分析方法，基于信息间隙决策理论对系统不确定性进行了建模分析，减小了系统供能不确定性带来的不利影响。

52、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。